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Como la fisica moderna esta chocando con el criterio de falsabilidad de Karl Popper, y la filosofia detras de los superstrings y la energia oscura.
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¿Cómo hacer ciencia? Cosmología, Teoría de
supercuerdas y el criterio de falsabilidad de Popper
Dr. Ramón López Alemán
Departamento de Ciencias Físicas
El Paradigma Newtoniano en las ciencias
• El éxito del paradigma Newtoniano inspiró la Revolución científica moderna.
• Las demás ciencias naturales empezaron a moverse a buscar explicaciones “a la Newton” para todos los fenómenos observables.
• Presupuestos filosóficos básicos– Materialismo– Reduccionismo– Empirismo– Determinismo causal
Revoluciones del Siglo XX: Relatividad General y Mecánica Cuántica
• Luego de la influencia de Mach y los éxitos empíricos impresionantes de estas teorías aún vigentes (aunque incompatibles entre sí) se crearon dos corrientes filosóficas opuestas en la física fundamental:– Positivismo lógico – las teorías físicas no reflejan la realidad.
Solo son herramientas computacionales que no deben hablar de entes que no tengan correlatos empíricos.
– Realismo “reducido” – las teorías matemáticas de la física deben buscar una descripción completa y satisfactoria de una realidad externa, pero puede haber un enorme número de teorías equivalentes (difeomórficamente equivalentes).
Reduccionismo y Empirismo en las ciencias humanas y sociales
• En oposición a estas visiones epistemológicas en cuanto a qué se refieren las teorías científicas, en la psicología y sociología modernas hay aún más cuestionamientos serios al empirismo, al rol de las matemáticas y al reduccionismo como herramientas indispensables para crear conocimiento científico válido.
• Varias escuelas de pensamiento en las ciencias sociales creen que los fenómenos de la conciencia y el comportamiento humano no se pueden reducir a interacciones bioquímicas entre neuronas. Según esta visión hay realidades “mentales” que no se pueden capturar con un tratamiento lógico-matemático basado solo en datos empíricos.
Criterio de falsabilidad de Karl Popper
• Este es uno de los criterios más utilizados para distinguir qué es una teoría científica y cual debe ser la meta de la ciencia.
• Una teoría científica será válida y estará “bien formada” SI Y SOLO SI hay una manera de poder demostrar que es falsa.
• La idea es que el método científico funcione como un “detector de mentiras” que solo permita teorías lógicas y plausibles de acuerdo a criterios estrictamente empíricos.
Reduccionismo en la Física: ¿Cuáles son las entidades fundamentales?
• El mundo subatómico de lo material– Teoría de Campos
Cuánticos
• El escenario donde se desenvuelve la realidad– Teoría de Relatividad
General: espacio, tiempo y gravedad
El Modelo Estándar de la Materia
Ver página de web en http://particleadventure.org
Al igual que la materia, las fuerzas o interacciones entre las partículas son a su vez mediadas por “partículas de fuerza”
Postulados filosóficos principales de la Teoría Cuántica
• Cada sistema material se compone de una o más “partículas” de materia
• Cada sistema se puede describir totalmente por una entidad matemática conocida como “función de onda” (vector en un espacio de Hilbert)
• Las cantidades reales de estos sistemas que podemos medir se pueden describir por entidades matemáticas conocidas como “operadores hermíticos”
Partículas, sus propiedades y la realidad probabilística
• Hay propiedades intrínsecas (autovectores) que definen el tipo de una partícula.– Masa, espín, cargas
• Todas las partículas de un mismo tipo son idénticas
• Los posibles resultados de medir otras propiedades dependen de las interacciones con su “ambiente externo”.
• Es imposible conocer la trayectoria exacta de un sistema o cuales serán los resultados exactos de esas medidas.
Principio de Incertidumbre• Principio de incertidumbre de Heisenberg: es imposible imposible
tener valores simultáneos para la posición y el movimiento de una partícula.
• El problema de la medición: Medir las propiedades de una partícula requiere que ésta interactúe con fuerzas provenientes del aparato que mide.
• El acto de medir algo cambia irremediablemente lo que se quiere medir.
• Antes de medir, un sistema cuántico se halla en una superposición de estados con todas las propiedades posibles en ese momento.
¿Existe la materia si nadie la está mirando?
• Un experimento en física fundamental consiste en saber las propiedades de algunas partículas solo al inicio y al final.
• Es imposible saber lo que ocurre entre esos 2 puntos.
• La dualidad onda-partícula y los campos cuánticos.
Interacciones y diagramas de Feynman
• Es posible que aparezcan partículas virtuales de la nada, pues no tener absolutamente nada en un punto violaría el principio de incertidumbre.
• Teoría de perturbaciones: el resultado de una medida se predice incluyendo TODAS las posibilidades en ir del estado inicial al final
El problema de los resultados infinitos: renormalización
• Para poder calcular probabilidades de una medida la teoría asume 2 condiciones fundamentales:– diagramas más complicados son mucho más
improbables y contribuyen menos al resultado final.– Las partículas y las interacciones entre éstas son
puntos geométricos de tamaño infinitesimalmente pequeños.
• Este esquema no va a funcionar jamás si una de las fuerzas es la gravedad.
Gravedad y Relatividad General
• Según Einstein, la gravedad no es una fuerza “material” como las otras.
• La gravedad resulta de “deformar” el espacio y el tiempo en el cual se mueve la materia.
• Se puede tener gravedad en espacios vacíos sin materia pues ella es auto-generable.
• Donde está una partícula y cuándo está ahí son conceptos locales y relativos al observador.
La Mecánica Cuántica y la Relatividad son incompatibles
• Una de las dos (posiblemente ambas) está “incorrecta”.
• Las partículas puntuales, la incertidumbre y los violentos comportamientos a nivel subatómico deformarían el espacio infinitamente.
• La Mecánica Cuántica resuelve para interacciones en un punto y en un tiempo dado en un espaciotiempo plano.
• La Relatividad resuelve para todo el espacio curvo por todo el tiempo dada una distribución continua de materia.
Teoría de supercuerdas
• Supuestos fundamentales:– Solo existen en el universo dos
entidades fundamentales.• Un espacio-tiempo de 10
dimensiones de las cuales solo vemos 3 dimensiones espaciales macroscópicas y 1 de tiempo.
• Un inmenso número de pequeñas cuerdas o “hilitos” que no son puntuales sino líneas unidimensionales (o hasta membranas extendidas).
Materia, energía y fuerzas• Estas supercuerdas respetan una simetría matemática
especial entre bosones y fermiones conocida como super-simetría (SUSY).
• Las supercuerdas son del tamaño fundamental conocido como largo de Planck (10-35 metros).
• Las ecuaciones que gobiernan los modos de vibración de las cuerdas reproducen la distribución de masas, cargas, y espines de las “partículas” y fuerzas del Modelo Estándar.
• Los electrones, quarks, fotones, bosones W y Z, y gluones no son partículas diferentes sino que son todas supercuerdas vibrando a diferentes frecuencias.
• Hay una vibración asociada al gravitón que reproduce una Teoría General de la Relatividad renormalizable.
Problemas de la teoría
• No es única. Hay al menos 5 variedades de teorías de supercuerdas. Hay al menos otras dos teorías alternas de gravedad cuántica.
• Es tan complicada y abstracta que aún ni se saben cual serían las ecuaciones exactas que gobiernen las funciones de onda de las cuerdas.
• Tiene demasiada riqueza predictiva. No solo predice las “partículas” del Modelo Estándar sino que podría tener muchas otras que no se ven, y que por tanto hay que “prohibir” sin ninguna justificación teórica.
• Es imposible realizar experimentos a escala de Planck para verificar consecuencias distintas del Modelo Estándar. La teoría no es falsable empíricamente.
Igual pasa en la cosmología moderna
• La data de supernovas 1A que demuestra una expansión acelerada del universo es incompatible con la Relatividad General si solo existe lo que se puede confirmar empíricamente (¿energía oscura?).
• Es imposible determinar las causas del Big Bang, ni porqué los parámetros que definen la expansión son esos y no otros.
El futuro de las “Teorías de Todo”
• M-Theory: unificando las teorías de supercuerdas
• El Big Bang y los huecos negros: ejemplos de gravedad cuántica
• El principio antrópico: la existencia de organismos vivos y las leyes del universo
¿Y si se lograse una M-Theory consistente lógicamente que incluya
QM y GR?• ¿Podría ser considerada ciencia?• ¿Habría que reevaluar el requisito aparentemente
indispensable de contrastación empírica? (Neoplatonismo como parte de la filosofía científica)
• Insuficiencia de la data empírica a la hora de determinar la “verdad” de una teoría matemática (“Gauge Freedom”)
• ¿Cuánto tiempo debe pasar sin falsificación empírica ninguna para proclamar el terrible y evadido “final de la Física”?